汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)

楊曉慧

(長春大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022)

汽車自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)

楊曉慧

(長春大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130022)

本文從自適應(yīng)巡航控制算法入手，圍繞其結(jié)構(gòu)圖，論述了嵌入式系統(tǒng)的功能特性及其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的可行性與可靠性，闡明了其在大大提高汽車智能化發(fā)展中的重要作用。

自適應(yīng)巡航控制(ACC);超高頻率(UVHF);運行時編譯器(RTOS)

嵌入式系統(tǒng)是一種將嵌入了軟件的計算機硬件作為其最重要的一部分的系統(tǒng)。它是一種專用于某個應(yīng)用或者產(chǎn)品的基于計算機的系統(tǒng)。它可以是一個獨立的系統(tǒng)，也可以是更大系統(tǒng)的一部分。由于其軟件通常嵌入在ROM中，因此并不像計算機一樣需要輔助存儲器。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前汽車電子領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)之一。從1990年起，就已經(jīng)在汽車的離散獨立組件或者集成中心服務(wù)系統(tǒng)的定時器、電機和機械系統(tǒng)的實時控制，自適應(yīng)巡航控制(ACC)［2］、數(shù)據(jù)采集等功能中使用。

維持恒定速度的自適應(yīng)巡航控制增加了一項特性，即在高速公路上出現(xiàn)多汽車流的情況下，維持車隊穩(wěn)定的功能。行駛控制是一個負(fù)責(zé)控制主動輪油門，并以預(yù)定的恒定速度引導(dǎo)汽車行駛的系統(tǒng)。行駛控制也可以在高速公路上出現(xiàn)多汽車流，或者護送貴賓的情況下保持車隊穩(wěn)定。通常，駕駛員在駕駛期間，使用加速器踏板控制車速。但是導(dǎo)航控制系統(tǒng)解除了駕駛員的這項工作，并且在道路條件比較適宜時，ACC可以代替手動控制。當(dāng)交通不太擁擠時，汽車以比較高的速度行駛。在需要的時候，駕駛員也可以恢復(fù)控制。

1 ACC的算法

自適應(yīng)控制是指一種調(diào)整控制輸入的當(dāng)前狀態(tài)的算法［1］，該算法的方程中使用的不是一組恒定不變的數(shù)學(xué)參數(shù)，而是可以動態(tài)調(diào)整的。需要不斷調(diào)整的參數(shù)示例有比例常量、積分常量和微分常量。圖1介紹了自適應(yīng)控制算法如何進行調(diào)整和操作。

圖1 調(diào)整操作的自適應(yīng)控制算法模型

2 ACC嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

ACC嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 常見的ACC系統(tǒng)執(zhí)行行為

(1)從DAS單元內(nèi)的速度計得到道路速度。

(2)從DAS單元內(nèi)的引擎速度得到加速度。

(3)得到用于剎車操作的剎車開關(guān)輸入。

圖2 ACC嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

(4)向踏板系統(tǒng)發(fā)送輸出信息，用于緊急剎車以及ACC行駛控制下的駕駛員不干涉行駛。

(5)運行自適應(yīng)算法，計算并發(fā)送控制信號給真空管傳動裝置中的步進電動機。開啟真空管的小孔控制油門。這個閥門是電氣閥門。建立真空時通過風(fēng)箱提供所需動力。也可以直接使用油門上帶有螺紋驅(qū)動附件的A.D.C或者步進電動機，代替真空傳動裝置和風(fēng)箱。

(6)控制前置面板，該面板有以下部件：(a)用于“開”、“關(guān)”、“自動駕駛”、“恢復(fù)控制”、“設(shè)置/加速”開關(guān)和顯示。駕駛員通過分別按下“開”或者“關(guān)”來激活和關(guān)閉ACC系統(tǒng)。通過分別按下“自動駕駛”或者“恢復(fù)控制”來移交和恢復(fù)ACC系統(tǒng)的控制權(quán)。駕駛員使用“設(shè)置/加速”開關(guān)設(shè)置行駛速度。開關(guān)依據(jù)ACC激活時的狀態(tài)閃爍綠光或者紅光。(b)報警和消息閃爍單元發(fā)出適當(dāng)?shù)膱缶盘柡拖㈤W爍統(tǒng)計圖表［3］。

(7)從前方車隊的車輪上的雷達(dá)或者UVHF(Ultra Very High Frequency，超高頻率)附件中得到前方汽車的距離。步進電動機調(diào)整該附件，使雷達(dá)發(fā)射器的視線和前方汽車保持在一條直線上。雷達(dá)系統(tǒng)保證了車隊穩(wěn)定，并在緊急情況發(fā)出警告。

選擇ACC的案例研究，是為了證明RTOS［4］在某些應(yīng)用程序中是必需的。我們使用運行時編譯器(RTOS)的一些功能特性，來得到汽車電子系統(tǒng)中可靠的控制系統(tǒng)。這里給出的ACC系統(tǒng)示例，包括系統(tǒng)維持車隊穩(wěn)定的算法和端口。汽車電子設(shè)備中的硬件系統(tǒng)必須提供功能上的安全。以下是當(dāng)前一些重要的硬件標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則：

a.TTP(Time Triggered Protocol，定時觸發(fā)協(xié)議)

b.CAN(Control Area Network，控制域網(wǎng)絡(luò))

c.MOST(Media Oriented System Transport，媒體定向系統(tǒng)傳輸)

d.為EMC(Electromagetic Magnetic Control，電磁控制)和功能安全準(zhǔn)則制定的IEE指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 ACC系統(tǒng)應(yīng)用

當(dāng)前，基于嵌入系統(tǒng)的汽車控制單元使用微處理器、微控制器、DSP或者ASIP。我們假設(shè)在該案例中使用了這些單元，以下是它們的設(shè)備驅(qū)動端口和函數(shù)。

(1)Port_Align：進電動機端口。電動機按中斷信號順時針或者逆時針運轉(zhuǎn)。該電動機還會調(diào)整雷達(dá)或者UVHF傳輸設(shè)備和前方汽車在一條直線上。

(2)Port_Ranging：時間差timeDiff讀入端口設(shè)備。然后服務(wù)例程開始執(zhí)行，雷達(dá)發(fā)射信號，傳感器接收來自前方汽車的反射信號。該程序剛開始禁用中斷。端口設(shè)備電路測量兩個時刻之間的延遲。程序在退出臨界段時啟用中斷。延遲的一半乘以測量速度的任務(wù)提供的速度，得到前方汽車的距離。

(3)Port_Speed：口設(shè)備在接收中斷信號的同時，設(shè)置一個N_rotation遞減計數(shù)器，并注明該時刻的時間。程序剛開始禁用中斷。在遞減計數(shù)溢出后，它再次注明時間，并得到時間差deltaT。程序在退出臨界段時啟用中斷。Port_Speed收到來自Port_RangeRate的信號時，在速度計上顯示當(dāng)前速度speedNow。

(4)Port_RangeRate：它向端口傳輸信號rangNow和speedNow，發(fā)送給車隊中的其他汽車。同時發(fā)送信號給Port_Speed，在速度計上顯示speedNow.

(5)Port_Brake：端口設(shè)備在收到中斷信號時應(yīng)用剎車和緊急剎車操作。該服務(wù)例程剛開始禁用中斷，在退出臨界段時啟用中斷。它也應(yīng)用剎車操作并將剎車信息以信號的方式發(fā)送給車隊中的其他汽車。

3 RTOS對于ACC系統(tǒng)的功能特性

在一個復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中需要大量的編碼工作，當(dāng)開發(fā)一個產(chǎn)品時，需要能在一個合理的時間內(nèi)完成這些工作。一個就緒可用的RTOS程序包具有這樣的優(yōu)點：在那些提前測試和調(diào)試過的RTOS函數(shù)，以及錯誤和異常處理函數(shù)已經(jīng)經(jīng)過眾多用戶測試使用后，RTOS程序包可以方便地獲得測試結(jié)果。汽車嵌入式系統(tǒng)在操作系統(tǒng)上需要一些超過MUCOS或者VxWorks以及MS DOS和UNIX的特殊性能。所需的特殊OS性能如下所示：

(1)語言可以與應(yīng)用程序相關(guān)，沒有必要是C或者C++，數(shù)據(jù)類型也應(yīng)該與具體的應(yīng)用程序相關(guān)，但不與具體的RTOS相關(guān)。例如，在VxWorks中STATUS是RTOS相關(guān)的，這是不允許的，因為它可能成為一個錯誤源，所以不可靠。

(2)它的OS、每種方法、類和運行時庫應(yīng)該是可伸縮的。這優(yōu)化了對存儲器的需求。

(3)任務(wù)可以分成4類。這向程序員提供了一個明顯的任務(wù)劃分，使得他們可以確定系統(tǒng)中哪些模塊使用哪類任務(wù)。

a.每個優(yōu)先級的任務(wù)只有一個，并且只激活一次的基本任務(wù)稱作BCC1。

b.每個優(yōu)先級的任務(wù)只有一個，并且只激活一次的擴展任務(wù)稱作ECC1。

c.每個優(yōu)先級的任務(wù)有多個，并且運行期間可激活多次的基本任務(wù)稱作BCC2。

d.每個優(yōu)先級的任務(wù)有多個，并且運行期間可激活多次的擴展任務(wù)稱作ECC2。

(4)OS可以以截然不同的方式調(diào)度ISR和任務(wù)。

(5)中斷系統(tǒng)在服務(wù)例程開始時被禁用，在返回時啟用。這使得任務(wù)可以在實時環(huán)境中運行。

(6)任務(wù)可以實時調(diào)度。

(7)任務(wù)可以由3組對象組成，事件(信號量)、資源(語句和函數(shù))和設(shè)備。前面描述了一些端口設(shè)備。報警器就是一個例子。它顯示統(tǒng)計圖表、消息和閃爍消息，并發(fā)出嘟嘟聲和蜂鳴聲。

(8)不允許創(chuàng)建和刪除定時器、任務(wù)或者信號量對象。運行時故障可能導(dǎo)致定時器或者信號量未經(jīng)允許就被刪除。這是潛在的問題根源，因而不可靠。

(9)消息隊列通過任務(wù)發(fā)關(guān)的IPC不允許作為等待任務(wù)，因為它可能無限等待所需要的全部消息。RTOS隊列類型、無限等待和消息超時可能是潛在的故障源，因而不可靠。信號量作為資源鍵或者計數(shù)器時可能會有類似的風(fēng)險，所以不使用它們。

(10)進入臨界段之前和執(zhí)行服務(wù)例程的時候，必須禁用所有中斷，只在返回的時候才啟用。

4 結(jié)語

汽車電子設(shè)備中的軟件也必須是標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)前一些重要的軟件標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則是AMI-C(汽車多媒體接口協(xié)作)，MISRA-C(針對汽車系統(tǒng)中C語言軟件準(zhǔn)則的發(fā)動機行業(yè)可靠性協(xié)會標(biāo)準(zhǔn))和用于RTOS、通信和網(wǎng)絡(luò)管理的OSEK/VDX。操作系統(tǒng)方面的OSEK-OS，具有較高的可靠性。從而得出OSEK-OS［5］標(biāo)準(zhǔn)比VxWorks或者MUCOS更可靠。所以ACC嵌入式系統(tǒng)會在汽車領(lǐng)域應(yīng)用得更加廣泛。

［1］ 王宜懷，劉曉升.嵌入式應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：133-134.

［2］ Raj Kamal.嵌入式系統(tǒng)-體系結(jié)構(gòu)、編程與設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：443-444.

［3］ B.Demuth and D.Eisenreich，Designing Embedded Internet Devices［M］.Butterworth Heinemann，2002：188-190.

［4］ 桑楠，等.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用開發(fā)技術(shù)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2008：201-202.

［5］ 魏忠.嵌入式開發(fā)詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：239-240.

責(zé)任編輯：吳旭云

The embedded system of vehicle adaptive cruise control

YANG Xiao-hui
(College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022，China)

Starting from the vehicle adaptive cruise control algorithm and centering on its structure chart，this paper discusses the functional characteristics of the embedded system as well as the feasibility and dependability in automotive field and expounds the important role in the automobile intelligent development.

adaptive cruise control(ACC);super high frequency(UVHF);real-time operation system(RTOS)

TP66

A

1009-3907(2010)08-0081-03

2010-06-22

楊曉慧(1974-)女，吉林鎮(zhèn)賚人，實驗師，主要從事計算機方面的研究。